Биполярный транзистор принцип работы для чайников. Усиление в других областях техники и природе. Принцип работы транзистора

Транзистором называется активный полупроводниковый прибор, при помощи которого осуществляется усиление, преобразование и генерирование электрических колебаний. Такое применение транзистора можно наблюдать в аналоговой технике. Кроме этого применяются и в цифровой технике, где они используются в ключевом режиме. Но в цифровой аппаратуре почти все транзисторы «спрятаны» внутри интегральных микросхем, причем в огромных количествах и в микроскопических размерах.

Здесь мы уже не будем слишком подробно останавливаться на электронах, дырках и атомах, о которых уже было рассказано в предыдущих частях статьи, но кое-что из этого, при необходимости, все же придется вспомнить.

Полупроводниковый диод состоит из одного p-n перехода, о свойствах которого было рассказано . Транзистор, как известно, состоит из двух переходов, поэтому можно рассматривать как предшественник транзистора, или его половину.

Если p-n переход находится в состоянии покоя, то дырки и электроны распределяются, как показано на рисунке 1, образуя потенциальный барьер. Постараемся не забыть условные обозначения электронов, дырок и ионов, показанные на этом рисунке.

Рисунок 1.

Как устроен биполярный транзистор

Транзистор (transistor, англ.) – триод, из полупроводниковых материалов, с тремя выходами, основное свойство которого – сравнительно низким входным сигналом управлять значительным током на выходе цепи. В радиодеталях, из которых собирают современные сложные электроприборы, используются полевые транзисторы. Их свойства позволяют решать задачи по выключению или включению тока в электрической цепи печатной платы, или его усилению.

Что такое полевой транзистор

Полевой транзистор - это устройство с тремя или четырьмя контактами, в котором ток на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. Поэтому их называют полевыми.

Контакты:

Полевой транзистор с п – р переходом – особый вид транзисторов, которые служат для управления током .

Он отличается от простого обычного тем, что ток в нем проходит, не пересекая зоны р — n перехода, зоны, образующейся на границы этих двух зон. Размер р — n зоны регулируется.

Полевые транзисторы, их виды

Полевые транзисторы с п – р переходом делят на классы:

1. По типу канала проводника: n или р. От канала зависит знак, полярность, сигнала управления. Она должна быть противоположна по знаку n -зоне.
2. По структуре прибора: диффузные, сплавные по р – n — переходом, с затвором , тонкопленочные.
3. По числу контактов: 3-х и 4-контактные. В случае 4-контактного прибора, подложка также исполняет роль затвора.
4. По используемым материалам: германий, кремний, арсенид галлия.

Классы делятся по принципу работы:

• устройство под управлением р — n перехода;
• устройство с изолированным затвором или с барьером Шоттки.

Полевой транзистор, принцип работы

По-простому, как работает полевой транзистор с управляющим р-п переходом, можно сказать так: радиодеталь состоит из двух зон: р — перехода и п — перехода. По зоне п течет электрический ток. Зона р – перекрывающая зона своего рода вентиль. Если на нее сильно надавить, она перекрывает зону для прохождения тока и его проходит меньше. Или, если давление снизить пройдет больше. Такое давление осуществляют увеличением напряжения на контакте затвора, находящегося в зоне р.

Прибор с управляющим р — п канальным переходом - это полупроводниковая пластина с электропроводностью одного из этих типов. К торцам пластины подсоединены контакты: сток и исток, в середине - контакт затвора. Действие устройства основано на изменяемости толщины пространства р-п перехода. Поскольку в запирающей области почти нет подвижных носителей заряда, ее проводимость равна нулю . В полупроводниковой пластине, в области не под воздействием запирающего слоя, создается проводящий ток канал. При подаче отрицательного напряжения по отношению к истоку, на затвор создается поток, по которому истекают носители заряда.

В случае изолированного затвора, на нем расположен тонкий слой диэлектрика. Этот вид устройства работает на принципе электрического поля . Чтобы разрушить его достаточно небольшого электричества. Поэтому для защиты от статического напряжения, которое может достигать тысяч вольт, создают специальные корпуса приборов — они позволяют минимизировать воздействие вирусного электричества.

Зачем нужен полевой транзистор

Рассматривая работу сложной электронной техники, как работу полевого транзистора (как одного из компонентов интегральной схемы) сложно представить, что основных направления его работы пять:

1. Усилители высоких частот.
2. Усилители низких частот.
3. Модуляция.
4. Усилители постоянного тока.
5. Ключевые устройства (выключатели).

На простом примере работу транзистора, как выключателя, можно представить как компоновку микрофона с лампочкой. Микрофон улавливает звук, от этого появляется электрический ток. Он поступает на запертый полевой транзистор. Своим присутствием ток включает устройство, включает электрическую цепь, к которой подключена лампочка. Лампочка загорается при улавливании звука микрофоном, но горит за счет источника питания, не связанного с микрофоном и более мощного.

Модуляция применяется для управления информационным сигналом. Сигнал управляет частотой колебания. Модуляция применяется для качественного звукового сигнала в радио, для передачи звукового ряда в телевизионных передачах, трансляции цвета и телевизионного сигнала высокого качества. Она применяется везде, где требуется работа с материалом высокого качества.

Как усилитель полевой транзистор упрощенно работает так: графически любой сигнал, в частности, звуковой ряд, можно представить в виде ломаной линии, где ее длина – это время, а высота изломов частота звука. Для усиления звука на радиодеталь подают мощное напряжение, которое приобретает необходимые частоты, но с более большими значениями, за счет подачи слабого сигнала на управляющий контакт. Другими словами, устройство пропорционально перерисовывает изначальную линию, но с более высокими пиковыми значениями.

Применение полевых транзисторов

Первым прибором, поступившим в продажу, где использовался полевой транзистор с управляющим p-n переходом, был слуховой аппарат . Его появление зафиксировано в пятидесятых годах прошлого века. В промышленных масштабах их применяли в телефонных станциях.

В современном мире, устройства применяют во всей электротехнике . Благодаря маленьким размерам и разнообразию характеристик полевого транзистора, встретить его можно в кухонной технике, аудио и телевизионной технике, компьютерах и электронных детских игрушках. Их применяются в системах сигнализации как охранных механизмов, так и пожарной сигнализации.

На заводах транзисторное оборудование применяется для регуляторов мощности станков . В транспорте от работы оборудования на поездах и локомотивов, до системы впрыска топлива частных автомобилей. В ЖКХ от систем диспетчеризации, до систем управления уличным освещением.

Одна из важнейших областей применения транзисторов – производство процессоров . По сути, весь процессор состоит из множества миниатюрных радиодеталей. Но при переходе на частоту работы выше 1,5 ГГц, они лавинообразно начинают потреблять энергию. Поэтому производители процессоров пошли по пути многоядерности, а не путем увеличения тактовых частот.

Плюсы и минусы полевых транзисторов

Полевые транзисторы своими характеристиками оставили далеко позади другие виды устройства. Широкое применение они нашли в интегральных схемах в роли выключателей.

• каскад деталей расходует мало энергии;
• усиление выше, чем у других видов;
• высокая помехоустойчивость достигается отсутствием прохождения тока в затворе;
• более высокая скорость включения и выключения – они могут работать на недоступных другим транзисторам частотах.

• более низкая температура разрушения, чем у других видов;
• на частоте 1,5 ггц, потребляемая энергия начинает резко возрастать;
• чувствительность к статическому электричеству.

Характеристики полупроводниковых материалов, взятых за основу полевых транзисторов, позволили применять устройства в быту и производстве . На основе плевых транзисторов создали бытовую технику в привычном для современного человека виде. Обработка высококачественных сигналов, производство процессоров и других высокоточных компонентов невозможна без достижений современной науки.

Транзистор - прибор, работающий на полупроводниках с электронной начинкой. Он предназначен для превращения и усиления электрических сигналов. Различают два вида приборов: и униполярный транзистор, или полевой.

Если в транзисторе одновременно работают два вида носителей заряда - дырки и электроны, то он называется биполярным. Если в транзисторе работает только один тип заряда, то он является униполярным.

Представьте себе работу обыкновенного водяного крана. Повернули задвижку - поток воды усилился, повернули в другую сторону - поток уменьшился или прекратился. Практически в этом и заключаются принципы работы транзистора. Только вместо воды через него течет поток электронов. Принцип действия транзистора биполярного типа характерен тем, что через этот электронный прибор идут два вида тока. Они подразделяются на большой, или основной и маленький, или управляющий. Причем мощность управляющего тока влияет на мощность основного. Рассмотрим Принцип работы его отличается от других. В нем проходит лишь один которого зависит от окружающего

Биполярный транзистор делают из 3-х слоев полупроводника, а также, самое главное, из двух PN-переходов. Следует отличать PNP и NPN переходы, а, значит, и транзисторы. В этих полупроводниках идет чередование электронной и дырочной проводимости.

Биполярный транзистор имеет три контакта. Это база, контакт, выходящий из центрального слоя, и два электрода по краям - эмиттер и коллектор. По сравнению с этими крайними электродами прослойка базы очень тонкая. По краям транзистора область полупроводников не является симметричной. Для правильной работы данного прибора полупроводниковый слой, расположенный со стороны коллектора, должен быть пусть немного, но толще по сравнению со стороной эмиттера.

Принципы работы транзистора основаны на физических процессах. Поработаем с моделью PNP. Работа модели NPN будет подобной, за исключением полярности напряжения между такими основными элементами, как коллектор и эмиттер. Она будет направлена в противоположную сторону.

Вещество Р-типа содержит дырки или же положительно заряженные ионы. Вещество N-типа состоит из отрицательно заряженных электронов. В рассматриваемом нами транзисторе количество дырок в области Р намного больше количества электронов в области N.

При подключении источника напряжения между такими частями, как эмиттер и коллектор принципы работы транзистора основаны на том, что дырки начинают притягиваться к полюсу и собираться возле эмиттера. Но ток не идет. Электрическое поле от источника напряжения не доходит до коллектора из-за толстой прослойки полупроводника эмиттера и прослойки полупроводника базы.
Тогда подключим источник напряжения уже с другой комбинацией элементов, а именно между базой и эмиттером. Теперь дырки направляются к базе и начинают взаимодействовать с электронами. Центральная часть базы насыщается дырками. В результате образуется два тока. Большой - от эмиттера к коллектору, маленький - от базы к эмиттеру.

При увеличении напряжения в базе в прослойке N будет еще больше дырок, увеличится ток базы, немного усилится ток эмиттера. Значит, при малом изменении тока базы достаточно серьезно усиливается ток эмиттера. В результате мы получаем рост сигнала в биполярном транзисторе.

Рассмотрим принципы работы транзистора в зависимости от режимов его работы. Различают нормальный активный режим, инверсный активный насыщения, режим отсечки.
При активном режиме работы эмиттерный переход открыт, а коллекторный переход закрыт. В инверсионном режиме все происходит наоборот.

В свое время транзисторы пришли на смену электронным лампах. Это произошло благодаря тому, что они имеют меньшие габариты, высокую надежность и менее затратную стоимость производства. Сейчас, биполярные транзисторы являются основными элементами во всех усилительных схемах.

Представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два электронно-дырочных перехода . Поэтому транзистор можно представить в виде двух встречно включенных диода . В зависимости от того, что будет являться основными носителями заряда, различают p-n-p и n-p-n транзисторы.

База – слой полупроводника, который является основой конструкции транзистора.

Эмиттером называется слой полупроводника, функция которого инжектирование носителей заряда в слой базы.

Коллектором называется слой полупроводника, функция которого собирать носители заряда прошедшие через базовый слой.

Как правило, эмиттер содержит намного большее количество основных зарядов, чем база. Это основное условие работы транзистора, потому что в этом случае, при прямом смещении эмиттерного перехода, ток будет обуславливаться основными носителями эмиттера. Эмиттер сможет осуществлять свою главную функцию – впрыск носителей в слой базы. Обратный ток эмиттера обычно стараются сделать как можно меньше. Увеличение основных носителей эмиттера достигается с помощью высокой концентрации примеси .

Базу делают как можно более тонкой . Это связано с временем жизни зарядов. Носители зарядов должны пересекать базу и как можно меньше рекомбинировать с основными носителями базы, для того чтобы достигнуть коллектора.

Для того чтобы коллектор мог наиболее полнее собирать носители прошедшие через базу его стараются сделать шире.

Принцип работы транзистора

Рассмотрим на примере p-n-p транзистора.

В отсутствие внешних напряжений, между слоями устанавливается разность потенциалов. На переходах устанавливаются потенциальные барьеры. Причем, если количество дырок в эмиттере и коллекторе одинаковое, тогда и потенциальные барьеры будут одинаковой ширины.

Для того чтобы транзистор работал правильно, эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном . Это будет соответствовать активному режиму работы транзистора. Для того чтобы осуществить такое подключение, необходимы два источника. Источник с напряжением Uэ подключается положительным полюсом к эмиттеру, а отрицательным к базе. Источник с напряжением Uк подключается отрицательным полюсом к коллектору, а положительным к базе. Причем Uэ < Uк.

Под действием напряжения Uэ, эмиттерный переход смещается в прямом направлении. Как известно, при прямом смещении электронно-дырочного перехода, внешнее поле направлено противоположно полю перехода и поэтому уменьшает его. Через переход начинают проходить основные носители, в эмиттере это дырки 1-5, а в базе электроны 7-8. А так как количество дырок в эмиттере больше, чем электронов в базе, то эмиттерный ток обусловлен в основном ими.

Эмиттерный ток представляет собой сумму дырочной составляющей эмиттерного тока и электронной составляющей базы.

Так как полезной является только дырочная составляющая, то электронную стараются сделать как можно меньше. Качественной характеристикой эмиттерного перехода является коэффициент инжекции .

Коэффициент инжекции стараются приблизить к 1.

Дырки 1-5 перешедшие в базу скапливаются на границе эмиттерного перехода. Таким образом, создается высокая концентрация дырок возле эмиттерного и низкая концентрация возле коллекторного перехода, в следствии чего начинается диффузионное движение дырок от эмиттерного к коллекторному переходу. Но вблизи коллекторного перехода концентрация дырок остается равной нулю, потому что как только дырки достигают перехода, они ускоряются его внутренним полем и экстрагируются (втягиваются) в коллектор. Электроны же, отталкиваются этим полем.

Пока дырки пересекают базовый слой они рекомбинируют с электронами находящимися там, например, как дырка 5 и электрон 6. А так как дырки поступают постоянно, они создают избыточный положительный заряд, поэтому, должны поступать и электроны, которые втягиваются через вывод базы и образуют базовый ток Iбр. Это важное условие работы транзистора – концентрация дырок в базе должна быть приблизительно равна концентрации электронов. Другими словами должна обеспечиваться электронейтральность базы.

Количество дырок дошедших до коллектора, меньше количество дырок вышедших из эмиттера на величину рекомбинировавших дырок в базе. То есть, ток коллектора отличается от тока эмиттера на величину тока базы.

Отсюда появляется коэффициент переноса носителей, который также стараются приблизить к 1.

Коллекторный ток транзистора состоит из дырочной составляющей Iкр и обратного тока коллектора.

Обратный ток коллектора возникает в результате обратного смещения коллекторного перехода, поэтому он состоит из неосновных носителей дырки 9 и электрона 10. Именно потому, что обратный ток образован неосновными носителями, он зависит только от процесса термогенерации, то есть от температуры. Поэтому его часто называют тепловым током .

От величины теплового тока зависит качество транзистора, чем он меньше, тем транзистор качественнее.

Коллекторный ток связан с эмиттерным коэффициентом передачи тока .

Токи в транзисторе можно представить следующим образом

Вне зависимости от принципа работы, полупроводниковый транзистор содержит в себе монокристалл из основного полупроводникового материала, чаще всего это - кремний, германий, арсенид галлия. В основной материал добавлены, легирующие добавки для формирования p-n перехода(переходов), металлические выводы.

Кристалл помещается в металлический, пластиковый или керамический корпус, для защиты от внешних воздействий. Однако, существуют также и бескорпусные транзисторы.

Принцип работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор может быть либо p-n-p, либо n-p-n в зависимости от чередования слоев полупроводника в кристалле. В любом случае выводы называются - база, коллектор и эмиттер. Слой полупроводника, соответствующий базе заключен между слоями эмиттера и коллектора. Он имеет принципиально очень малую ширину. Носители заряда движутся от эмиттера через базу - к коллектору. Условием возникновения тока между коллектором и эмиттером является наличие свободных носителей в области базы. Эти носители проникают туда при возникновении тока эмиттер-база. причиной которого может являться разность напряжения между этими электродами.

Т.е. - для нормальной работы биполярного транзистора в качестве усилителя сигнала всегда необходимо присутствие напряжения некого минимального уровня, для смещения перехода эмиттер-база в прямом направлении. Прямое смещение перехода база-эмиттер приоткрывая транзистор, задает так называемую - рабочую точку режима. Для гармоничного усиления сигнала по напряжению и току используют режим - А. В этом режиме напряжение между коллектором и нагрузкой, примерно равно половине питающего напряжения - т. е выходное сопротивление транзистора и нагрузки примерно равны. Если подавать теперь на переход база - эмиттер сигнал переменного тока, СОПРОТИВЛЕНИЕ эмиттер - коллектор будет изменяться, графически повторяя форму входного сигнала. Соответственно, то же будет происходить и с током через эмиттер к коллектору протекающим. Причем амплитуда тока будет большей, нежели амплитуда входного сигнала - будет происходить усиление сигнала.

Если увеличивать напряжение смещения база - эмиттер дальше, это приведет к росту тока в этой цепи, и как результат - еще большему росту тока эмиттер - коллектор. В конце, концов ток перестает расти - транзистор переходит в полностью открытое состояние(насыщения). Если затем убрать напряжение смещения - транзистор закроется, ток эмиттер - коллектор уменьшится, почти исчезнет. Так транзистор может работать в качестве электронного ключа . Этот режим наиболее эффективен в отношении управления мощностями, при протекании тока через полностью открытый транзистор величина падения напряжения минимальна. Соответственно малы потери тока и нагрев переходов транзистора.

Существует три вида подключения биполярного транзистора. С общим эмиттером (ОЭ) - осуществляется усиление как по току, так и по напряжению - наиболее часто применяемая схема.
Усилительные каскады построенные подобным образом, легче согласуются между собой, так как значения их входного и выходного сопротивления относительно близки, если сравнивать с двумя остальными видами включения (хотя иногда и отличаются в десятки раз).

С общим коллектором (ОК) осуществляется усиление только по току - применяется для согласования источников сигнала с высоким внутренним сопротивлением(импендансом) и низкоомными сопротивлениями нагрузок. Например, в выходных каскадах усилителей и контроллеров.

С общей базой (ОБ) осуществляется усиление только по напряжению. Имеет низкое входное и высокое выходное сопротивление и более широкий частотный диапазон. Это позволяет использовать подобное включение для согласования источников сигнала с низким внутренним сопротивлением(импендансом) с последующим каскадом усиления. Например - в входных цепях радиоприемных устройств.

Принцип работы полевого транзистора.

Полевой транзистор, как и биполярный имеет три электрода. Они носят названия - сток, исток и затвор. Если на затворе отсутствует напряжение, а на сток подано положительное напряжение относительно истока, то между истоком и стоком через канал течет максимальный ток.

Т. е. - транзистор полностью открыт. Для того, что бы его изменить, на затвор подают отрицательное напряжение, относительно истока. Под действием электрического поля (отсюда и название транзистора) канал сужается, его сопротивление растет, а ток через него уменьшается. При определенном значении напряжения канал сужается до такой степени, что ток практически исчезает - транзистор закрывается.

На рисунке изображено устройство полевого транзистора с изолированным затвором(МДП).

Если на затвор этого прибора не подано положительное напряжение, то канал между истоком и стоком отсутствует и ток равен нулю. Транзистор полностью закрыт. Канал возникает при некотором минимальном напряжении на затворе(напряжение порога). Затем сопротивление канала уменьшается, до полного открывания транзистора.

Полевые транзисторы, как с p-n переходом (канальные), так и МОП (МДП) имеют следующие схемы включения: с общим истоком (ОИ) - аналог ОЭ биполярного транзистора; с общим стоком (ОС) - аналог ОК биполярного транзистора; с общим затвором (ОЗ) - аналог ОБ биполярного транзистора.

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:
маломощные транзисторы - до 100 мВт;
транзисторы средней мощности - от 0,1 до 1 Вт;
мощные транзисторы - больше 1 Вт.

Важные параметры биполярных транзисторов.

1. Коэффициент передачи тока(коэффициент усиления) - от 1 до 1000 при постоянном токе. С увеличением частоты постепенно снижается.
2. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером(при разомкнутой базе) У специальных высоковольтных транзисторов, достигает десятков тысяч вольт.
3.Предельная частота, до которой коэффициент передачи тока выше 1. До 100000 гц. у низкочастотных транзисторов, свыше 100000 гц. - у высокочастотных.
4.Напряжение насыщения эмиттер-коллектор - величина падения напряжения между этими электродами у полностью открытого транзистора.

Важные параметры полевых транзисторов.

Усилительные свойства полевого транзистора определяются отношением приращения тока стока к вызвавшему его приращению напряжения затвор - исток, т. е.

ΔI d /ΔU GS

Это отношение принято называть крутизной прибора, а по сути дела оно является передаточной проводимостью и измеряется в миллиамперах на вольт(мА /В).

Другие важнейшие параметры полевых транзисторов приведены ниже:
1. I Dmax - максимальный ток стока.

2.U DSmax - максимальное напряжение сток-исток.

3.U GSmax - максимальное напряжение затвор-исток.

4.Р Dmax - максимальна мощность, которая может выделяться на приборе.

5.t on - типовое время нарастания тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

6.t off - типовое время спада тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

7.R DS(on)max - максимальное значение сопротивления исток - сток в включенном(открытом) состоянии.

Использование каких - либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт